虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與復(fù)雜模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互的研究

郭俊杰,江獻(xiàn)棟,高　?。?捷溫汽車(chē)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司；.廊坊科森電器有限公司,河北　廊坊　065000）

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)與復(fù)雜模型實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互的研究

郭俊杰1,江獻(xiàn)棟2,高俊2
（1.捷溫汽車(chē)系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司；2.廊坊科森電器有限公司,河北廊坊065000）

摘要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一門(mén)涉及眾多學(xué)科的新型技術(shù)。本文從虛擬現(xiàn)實(shí)入手，介紹了復(fù)雜三維模型的構(gòu)建和讀取的方式，并以virtools為平臺(tái)闡述了對(duì)復(fù)雜模型的處理以及整體模型與虛擬環(huán)境實(shí)現(xiàn)交互的方法，最后以實(shí)例的形式介紹了3DMAX中建立的模型讀取數(shù)據(jù)和交互平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)，給出了由virtools軟件開(kāi)發(fā)出來(lái)的平移旋轉(zhuǎn)交互模塊，為以后虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)做了鋪墊。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)（virtualreality），動(dòng)態(tài)交互（dynamicinteractive），virtools，模型構(gòu)建

1　前言

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用前景；介紹virtool工具的使用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)現(xiàn)實(shí)的認(rèn)識(shí)和處理信息，已不在是通過(guò)一個(gè)單維的數(shù)字化信息或者二維平面空間，而是通過(guò)建立一個(gè)三維甚至多維化傳感式空間，即包括人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感性和理性認(rèn)識(shí)在內(nèi)的信息化集成環(huán)境，而虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)這個(gè)多維信息空間的重要手段。

此項(xiàng)技術(shù)是1990年，在美國(guó)達(dá)拉斯召開(kāi)的Siggraph會(huì)議上提出的，它的主要內(nèi)容是：實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互測(cè)試，及高分辨率實(shí)現(xiàn)等。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)生成仿真的三維虛擬場(chǎng)景，并可以通過(guò)使用傳感器進(jìn)行交互控制的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)世界，最重要的特點(diǎn)就是“逼真”感與“交互”性。

Virtools是由法國(guó)某交互三維公司開(kāi)發(fā)，其特點(diǎn)是方便易用，應(yīng)用領(lǐng)域廣，并在3D互動(dòng)展示方面有強(qiáng)大的技術(shù)。它有很完善的構(gòu)成：應(yīng)用程序、動(dòng)作和渲染引擎、軟件開(kāi)發(fā)工具包（SDK）等。其開(kāi)放的架構(gòu)，極其的靈活，使開(kāi)發(fā)者方便有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)象的交互設(shè)計(jì)和管理。

2　三維模型的構(gòu)建與讀取

三維模型的構(gòu)建是整個(gè)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)，其好壞是影響運(yùn)行的效果和場(chǎng)景的逼真度的關(guān)鍵。

在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，首先應(yīng)該是模型的構(gòu)建，因?yàn)関irtools無(wú)建模的功能，故一般建模方法是使用常用建模軟件（如3DMAX、solidworks等）來(lái)實(shí)現(xiàn)，其轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖1所示。

三維模型的構(gòu)建是通過(guò)幾何建模方式，對(duì)象的輪廓和形狀可以用點(diǎn)、直線、多邊形、曲線或者曲線方程等方法表示。在建模時(shí)，為了更加快速流暢的模擬，盡量少的使用模型數(shù)據(jù)量，主要通過(guò)二維轉(zhuǎn)三維，三維轉(zhuǎn)多邊形等多種方法進(jìn)行構(gòu)建，最后以較小的數(shù)據(jù)量完成了建模和數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。

隨著計(jì)算能力的提高，對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型的高效創(chuàng)建和仿真已成為現(xiàn)實(shí)。

3　虛擬場(chǎng)景的交互方式

在虛擬場(chǎng)景中模擬現(xiàn)實(shí)中的動(dòng)態(tài)情況，必須具備兩個(gè)要素：時(shí)間控制和動(dòng)態(tài)過(guò)程的描述。在virtoolsdev交互引擎中，提供動(dòng)態(tài)過(guò)程的描述是通過(guò)對(duì)應(yīng)模型的節(jié)點(diǎn)控制實(shí)現(xiàn)的，時(shí)間控制的描述由3D Layout(實(shí)時(shí)3D編輯器)來(lái)顯示Realtime3D實(shí)時(shí)場(chǎng)景的內(nèi)容。

virtools中三維模型的控制是靠?jī)?nèi)置行為模塊實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)這些模塊對(duì)模型進(jìn)行各種基本操作，還可以通過(guò)編程開(kāi)發(fā)軟件（如Visual c++）手動(dòng)編寫(xiě)操縱模塊，更加靈活的實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)仿真。

4　應(yīng)用實(shí)例

4.1三維模型構(gòu)造

3DMax中，模型的存儲(chǔ)格式是一種專用格式，通過(guò)ASE（3D StudioMaxAsciiExportFormat）格式存儲(chǔ)三維實(shí)體，通過(guò)一系列三角形面形成了網(wǎng)格物體，其描述實(shí)體的格式和定義如下。

在3dmax中，可以根據(jù)網(wǎng)格數(shù)據(jù)可以在程序中實(shí)現(xiàn)重載建模，其幾何網(wǎng)格信息如下：

{頂點(diǎn)數(shù)；實(shí)體的三角形面數(shù)；頂點(diǎn)列表{X，Y，Z坐標(biāo)值}；三角形列表{A，B，C索引值}；面法向列表{X，Y，Z向量值}}；

材質(zhì)可通過(guò)物體表面對(duì)光的反射特性體現(xiàn)出來(lái)，所以材質(zhì)能較真實(shí)的反映現(xiàn)實(shí)物體，通過(guò)材質(zhì)列表給出物體的漫反射特性、鏡面光特性、貼圖等信息，其數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)如下：

材質(zhì)列表：{材質(zhì)數(shù)；材質(zhì)信息{材質(zhì)名稱；材質(zhì)類型；環(huán)境光；漫反射光；鏡面光；材質(zhì)貼圖}}

在三維模型構(gòu)建過(guò)程中，需要注意局部坐標(biāo)的設(shè)定，3DMAX中使用的是右手坐標(biāo)系，virtools中使用左手坐標(biāo)系，并且設(shè)定好的坐標(biāo)系在virtools中不能改變。

4.2動(dòng)態(tài)交互的編制及實(shí)現(xiàn)

（1）首先把建立好的模型通過(guò)接口程序轉(zhuǎn)換成virtool所識(shí)別的格式（*.vom），以character的形式導(dǎo)入到virtool的平臺(tái)中；

（2）設(shè)置交互場(chǎng)景，添加場(chǎng)景信息、場(chǎng)景相機(jī)、場(chǎng)景燈光等元素；

（3）增加模型的交互模塊（buildingblock），（4）效果展示，并打包。

4.3功能實(shí)現(xiàn)

本文在Virtools平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出了鼠標(biāo)與三維實(shí)體的交互方式，通過(guò)鼠標(biāo)控制場(chǎng)景的視角，完成與整體場(chǎng)景的交互，下面是利用鼠標(biāo)控制實(shí)體模型平移旋轉(zhuǎn)的模塊如圖2。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文的目的是將復(fù)雜造型的實(shí)體模型在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真試驗(yàn)，在virtools平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模型與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的無(wú)縫結(jié)合，使產(chǎn)品的表現(xiàn)方式更加美觀、流暢。該方法具有很高真實(shí)性、交互性，簡(jiǎn)單和易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

作者簡(jiǎn)介：郭俊杰（1982—），男，河北廊坊人，本科，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及軟件仿真。